BN/黑磷/BN异质结载流子输运特性的理论研究

BN/black phosphorus/BN heterojunction has potential application in field-effect transistors (FETs) fields due to the high carrier mobility. However, the lattice mismatch between BN and black phosphorus will change significantly with the temperature. Which restricts the application of the heterojunction. In addition,the carrier mobility of BN/black phosphorus/BN shows a dependence of thickness and temperature in experiments. However, the scattering mechanism is not clear. In this project, we will study the the temperature dependent lattice constants of BN and black phosphorus using the quasiharmonic approximation method. The transport scattering mechanisms will be studied using the density functional perturbation theory and effective impurity scattering model. We will focus on the effects of the acoustic phonon scattering, bulk and interface optical phonon scattering, impurity scattering in BN on the carrier mobility of BN/black phosphorus/BN heterojunction. In addition, the effects of the biaxial strain induced by lattice mismatch and quantum size on the carrier transport characters will be discussed. We will study the effects of barrier structures, impurity and size on the electric properties and carrier mobility. Furthermore, we will design the black phosphorus based heterojunction with excellent performance. Our studies will provide the theoretical references to the experimental works and the application of black phosphorus based FETs.

BN/黑磷/BN异质结因具有高载流子迁移率在场效应晶体管方面具有广泛的应用前景，但是BN与黑磷的晶格失配会随温度变化发生显著改变，这将制约该材料器件的应用。另一方面，实验发现BN/黑磷/BN异质结载流子迁移率呈现出厚度和温度的依赖关系，但BN和黑磷的厚度影响异质结输运特性的本质原因以及异质结的输运散射机制尚不明确。本项目拟以少原子层的BN/黑磷/BN异质结为研究对象，用准谐近似方法研究BN、黑磷随温度变化的晶格常数；用密度泛函微扰理论结合有效杂质散射模型研究异质结的载流子输运散射机制。重点研究声学声子、体纵光学声子、界面光学声子、本底BN中的电离杂质散射以及面内双轴应变和量子尺寸对异质结电输运性质的影响。研究电子结构、载流子迁移率等物理参数随势函数结构、材料尺寸和杂质等的变化规律。在此基础上设计出性能优异的黑磷基异质结，以期为解释相关实验现象、促进黑磷基异质结的应用提供理论基础。

实验科学家发现黑磷场效应管具有良好的室温电子迁移率和高的漏电流调制率，因此激发了研究者的广泛兴趣。遗憾的是黑磷在空气中不稳定，因为在实际应用中黑磷并不能达到理想的高载流子迁移率。为了尽快实现黑磷在场效应管领域的应用，改善黑磷的稳定性并进一步提高黑磷场效应的载流子迁移率，成为了当前理论和实验工作者十分关注的课题。本项目的主要目的是探索改善黑磷在空气中稳定性的途径及调控其载流子输运特性的有效途径，重点研究如何通过构建异质结的方式调控黑磷或者蓝磷的载流子输运特性，进而找到具有优异的黑磷基场效应管。研究结果表明BN能有效封装黑磷，封装后的黑磷在空气中具有稳定的结构。随着BN封装位置不同对黑磷的电学性质的影响也不同，BN封装后的黑磷具有较好的载流子输运特性。与此同时，我们发现关于BN与黑磷形成的异质结有了大量的研究报道，根据实际现状我们在原计划的基础上对研究内容做了适当调整，一方面研究影响黑磷的载流子迁移率的途径，一方面探索与黑磷晶格匹配较好，结构稳定且具有优异电输运性质的新型二维材料，已期找到新型的性能优异的封装黑磷的材料。我们采用第一性原理结合形变势理论预测黑磷纳米管具有优异的载流子输运特性，其迁移率可达到十的三次方的数量级，且在锯齿形方向的载流子迁移率比扶手椅方向的迁移率高一个数量级，此外张应力能将载流子迁移率提升到1.41*104cm2/Vs。预测了与黑磷结构晶格匹配较好，且结构稳定的单层和双层C3N、单层硼代石墨炔及其纳米带具有优异的载流子输运特性，其中C3N单层的空穴载流子迁移率可达到1.08*104cm2/Vs，而单层BGY的电子迁移率高达100000cm2/Vs。采用第一性原理结合弛豫时间近似和准谐近似研究了最近实验新合成的二维材料——单层MoSi2N4的热输运特性，电输运性质和力学性质，发现该材料具有具有优异的环境稳定性、良好的电输运和热输运特性。关于这些新型二维材料和黑磷形成的异质结的输运特性还在进一步的研究中。这些结果为实验制备性能优异的场效应管、纳米光电器件奠定了一定的理论基础。